螺桿式壓縮機碳環密封國產化改造

　， ， ， (中國石油 獨山子石化分公司， 新疆 獨山子　833699)

中國石油新疆獨山子石化分公司乙烯廠尾氣壓縮機(21-K-2471)為德國MAN公司提供的蒸汽透平機驅動的單級雙螺桿壓縮機。該機組由透平機、變速箱、螺桿壓縮機組3個主要部分構成，這3部分共用1個油系統。該壓縮機輸送介質為富氫尾氣，額定質量流量為10 025 kg/h，軸封為浮環密封，轉速3 511 r/min。自2009年運行至今，該壓縮機共進行了5次解體檢修，其中碳環密封更換了4次。該碳環密封為福斯公司制造，單套售價660萬元左右。福斯碳環密封不僅價格昂貴，而且故障率高，無法滿足該設備所在裝置4 a檢修一次的要求。為了延長設備平穩運行時間及降低設備檢維修費，調研了國內幾家密封廠家的生產和技術情況，決定對該壓縮機密封系統進行改造。

1　壓縮機碳環密封結構

單級雙螺桿壓縮機原裝配套密封為德國福斯公司生產的串聯式碳環密封,結構見圖1。該密封為8級結構，其中介質側5級，大氣側3級，高壓端和低壓端的結構相同，輔助系統為蒸汽和氮氣兩級密封。該碳環密封在驅動和非驅動端各有2套，結構基本相同，僅介質側壓蓋軸向尺寸稍有差別。

圖1　單級雙螺桿壓縮機原裝進口碳環密封結構

2　進口碳環密封失效原因分析

2.1　密封失效情況

壓縮機前5次解體檢修結果表明，靜密封失效導致密封失效1次，動密封失效導致密封失效4次。靜密封失效主要是由于O形圈選型安裝不當造成的[1]，動密封失效涉及原因較廣，也是影響碳環密封壽命的主要因素。在碳環密封改造之前，密封使用壽命只有一次達到了API 682—2014《離心泵和轉子泵用軸封系統》[2]要求的25 000 h，拆檢過程中主要發現以下問題：①碳環磨損不一，單圈碳環及不同位置的各道碳環磨損量差別很大，有的碳環已經磨損失效，而有的碳環磨損量幾乎可以忽略。②碳環補償彈簧經常被聚合物限制，無法自由伸縮或彈簧補償量不夠。③碳環上粘附大量聚合物。

2.2　靜密封失效分析

該碳環密封靜密封方式均為O形圈密封。O形圈密封原理簡單[3]，通常情況下只要材質選用得當、尺寸合適、安裝精準就不會導致密封失效[4]。雖然該臺壓縮機上發生過1次O形密封圈選用不當導致的密封失效，但是靜密封泄漏的可能性相對較小。選用O形密封圈時一定要考慮在不同工況及溫度下密封槽和O形密封圈的膨脹量以及輸送介質對O形密封圈的腐蝕性[5]。

2.3　動密封失效分析

動密封失效是碳環密封失效的主要形式。福斯公司的碳環密封采用自動磨損平衡技術設計[6]。當壓縮機未開機時，碳環和軸套靜止接觸。開機后軸套隨轉子旋轉的過程中，碳環和軸套自動磨損，磨損出的間隙尺寸滿足通過的密封氣恰好能夠支撐碳環浮起，從而達到最小的間隙、最小的泄漏量和最小的密封氣消耗量。這樣的動密封屬于浮環密封，是非常先進的密封技術[7]，其失效往往涉及多方面的因素。結合實際檢修情況分析碳環動密封失效的原因，主要有3點。

2.3.1氣膜壓力不穩

碳環和軸套之間的密封腔體內氣膜壓力不穩定，會導致碳環浮動異常，進而使碳環和軸套之間上下間隙不一致，最終出現偏磨。出現這種情況主要原因是密封氣壓力波動和安裝質量問題。安裝質量主要涉及軸套的安裝對中，如果軸套沒有損傷，則壓縮機陰陽轉子軸肩的同心度一般都符合要求，安裝時注意即可。

氣膜壓力波動導致的碳環密封偏磨，可以結合圖1進行分析。碳環密封的密封蒸汽有兩股，分別為密封氮氣和密封蒸汽。密封蒸汽的作用是阻止介質泄漏，密封蒸汽在碳環內分作兩路流動，流向分別為，①蒸汽注入口—碳環C—碳環B—碳環A—介質側。②蒸汽注入口—碳環D—碳環E—排放口。密封氮氣的作用是阻止潤滑油泄漏，密封氮氣在碳環內分作兩路流動，流向分別為，①氮氣注入口—碳環1—潤滑油側。②氮氣注入口—碳環2—碳環3—排放口。密封氣的流向都是從高壓側流向低壓側，結合福斯公司的自動磨損平衡技術可以推測，全新碳環密封在使用初期碳環和軸套處于接觸狀態[8]，氣體無法通過或通過量很少，隨著碳環密封使用過程的延續，從密封氣高壓側到低壓側的密封碳環逐個依次形成穩定的密封氣膜。當穩定狀態的氣膜形成后，碳環和軸套就分離開來，磨損將會明顯減緩。依此進一步推斷，低壓側的碳環磨損量應較大[9]。

實際的碳環磨損情況與上述的技術分析推測結果并不相同。全新密封碳環厚度為9.4 mm，幾次檢修對碳環的拆解測量數據見表1。從表1可以看出，高壓一側碳環磨損量明顯較大，尤其是密封氣主入口的第一道碳環。針對檢修過程中實際測得的數據進行進一步的過程分析。碳環在剛開始運行時的情況符合前述分析，表現為低壓側的碳環磨損量較大。但是當所有碳環全都形成穩定的氣膜后出現密封氣的壓力波動，情況就會發生變化。最先受到影響的是高壓一側碳環和軸套之間的氣膜，它會傳遞密封氣的波動并造成碳環損傷。密封氣壓力雖然是靠自勵閥控制，但是當自勵閥的閥前壓力出現波動時，自勵閥閥后的背壓也會隨之波動，因此檢修時才有密封氣高壓一側碳環，尤其是主入口處的碳環磨損較快的現象。因此，嚴格控制密封氣壓力，包括密封氮氣和密封蒸汽壓力對延長碳環密封的使用壽命至關重要。

表1　碳環解體時碳環厚度測量數據　mm

2.3.2補償彈簧彈性疲勞

福斯公司原裝進口碳環密封內部結構及密封磨損情況見圖2。

從圖2可以看出，福斯公司設計的碳環密封有軸向的鐲形補償彈簧和垂直于軸向的柱形補償彈簧。通常碳環磨損后，碳環在補償彈簧的推動下仍能保證碳環和密封座之間的間隙，維持原來的密封效果[10]。

圖2　進口碳環內部結構

碳環的補償彈簧疲勞后，將不能提供需要的補償尺寸。隨著使用時間的推移，將依次出現碳環和密封座之間的間隙變大、密封氣的通過量變大、泄漏量增大，直至嚴重時密封失效。實際檢修過程中，每次都會發現彈簧補償失效的情況。

2.3.3工藝介質泄漏和結焦

非正常情況下工藝介質發生泄漏并進入碳環密封內部時，將會發生結焦并導致碳環密封浮動異常。當密封氣壓力較低以及碳環密封彈簧補償失效后，碳環密封兩側平衡壓力被打破，造成一定量的工藝介質反躥至碳環密封腔體。這部分工藝介質，包括所輸送的工藝氣體和潤滑油，會在密封腔體內部聚合結焦。

密封腔體內部長期結焦導致的失效密封外觀形貌見圖3和圖4。

圖3　內部結焦后失效密封外觀形貌(一)

圖4　內部結焦后失效密封外觀形貌(二)

3　單級雙螺桿壓縮機碳環密封國產化改造

3.1　國產化技術方案

向國內多家密封件制造廠家技術咨詢后，通過對各家改造方案的對比，最終優選了大連華陽密封有限公司的改造建議。改造之后的浮環密封低壓側結構見圖5[11]。

3.2　國產化技術特點

3.2.1自然分體式密封環

福斯公司的碳環采用自動磨損平衡技術，一個完整的碳環由兩瓣組成，碳環接口處必須留有間隙，否則就會破壞鐲形彈簧對碳環磨損量的補償，使補償無法形成。這種搭接式結構在接口處形成了新的泄漏點，并且該處的泄漏會造成碳環密封局部泄漏量大而導致碳環的偏磨。華陽密封的密封環采用自然分體式結構，碳環在接口處幾乎不存在間隙，能夠避免福斯公司搭接式碳環在接口處的泄漏。但同時碳環磨損后也是無法補償的，密封氣的通過量會隨著運行時間的延長逐漸增大。針對這個問題，華陽密封采用更耐磨的密封組件，軸套采用特殊合金鍍層，硬度更高、耐磨性更好。此外，研磨了碳環對應的密封座，將軸套的表面粗糙度由3.2 μm提高至1.6 μm，軸向竄動允差由0.3 mm降至0.2 mm，提高了金屬件的平整度，使碳環與金屬座的貼合更緊密，減少碳環的磨損，提高其使用壽命。

圖5　改造后浮環密封低壓側方案

3.2.2柱形彈簧改進

調整了碳環柱形彈簧的側向彈簧力及其金屬座的貼合面積。調整后，一方面使碳環在工作狀態時保持與金屬座的貼合，形成端面接觸，阻止端面泄漏，另一方面增加了碳環的浮動性，使碳環與軸徑方向始終保持微小的間隙，從而減少了碳環的磨損[12]，具體可參考碳環內部結構圖(圖2)。福斯密封和華陽密封對于圖2中泄漏途徑A的密封應用了相同的原理，均借助柱形彈簧擠壓碳環緊密貼合密封座來阻止泄漏。華陽密封此次改進主要包括通過增大柱形彈簧的彈力來提高碳環的貼緊力，增大彈簧的直徑使彈力更加均勻地分布在碳環上，避免碳環和密封座的偏磨。

3.2.3碳環內部動壓槽改進

碳環內部動壓槽增加動壓效果，使碳環運轉時浮動效果更佳，使用壽命更長。碳環內部動壓槽的改進主要是為了減少圖2中泄漏途徑B的泄漏并改善碳環運轉時的浮動效果[13]。福斯密封和華陽密封對于圖2中泄漏途徑B應用了相同的密封原理，即通過鐲形彈簧來提供預緊力。當鐲形彈簧的彈力和密封蒸汽通過泄漏途徑B時產生的浮力動態平衡時，碳環密封處于穩定狀態工作，不同的是華陽密封在與軸套接觸的碳環端面上刻了動壓槽，可以保證只有少量氣體通過時碳環仍能保持正常浮動，保證碳環和軸套不接觸。此外，刻了動壓槽的碳環在平穩運行時碳環和軸套的間隙更小，密封蒸汽消耗量也小。

3.2.4碳環防旋轉改進

密封環旋轉對華陽密封和福斯密封的影響不同。華陽分體式碳環密封中組成同一個密封圈的2個碳環接口是緊密接觸的，縫隙很小。福斯公司采用自動磨損平衡技術的碳環密封中組成同一個密封圈的2個碳環接口縫隙很大，而且只有保持一定的縫隙才能實現磨損補償，通過縫隙泄漏的密封氣體量也較大。因此，福斯密封必須保持碳環接口錯位，受碳環轉動的影響更大。

華陽密封改進了碳環的防旋轉方式，使其在設備運轉時受到的沖擊力更小，降低其磨損。碳環的轉動主要發生在壓縮機開、停機過程中，此時碳環密封尚未形成穩定的軸向力和徑向力，密封蒸汽通過圖2中的泄漏途徑A和B時都會產生相應方向上的力。改造后的碳環密封泄漏量減少，就相當于密封蒸汽波動的瞬時受力減小了。此外，改造后在碳環密封主要泄漏途徑B對應的碳環密封端面刻了動壓環，可以分解、抵消此方向泄漏產生的力，從而減少碳環密封的旋轉。

3.2.5密封材料升級

碳環改用優質進口石墨材料，輔助密封圈改用全氟醚橡膠圈。該石墨材料具有強度高、自潤滑性好及耐高溫的特點。全氟醚O形圈可以有效避免介質腐蝕。

4　單級雙螺桿壓縮機密封國產化改造效果

4.1　模擬試驗效果

采用大連華陽密封的碳環密封設計分析軟件對改造后的碳環密封結構設計及性能進行了預測。預測結果為結合了傳熱學[14]和計算流體力學CFD[15]，通過耦合求解得到的理論計算值。模擬分析的初始輸入條件為，溫度50 ℃、高壓側壓力135 kPa(A)、低壓側壓力101.3 kPa(A)、轉速3 511 r/min、介質為氮氣、密封型式為H259-3400。模擬預測獲得的華陽密封的試驗壓力分布、試驗溫度分布、密封端面流體膜分布[16]分別見圖6～圖8。

圖6　華陽密封試驗壓力沿軸向長度分布

圖7　華陽密封試驗溫度沿軸向長度分布

圖8　華陽密封密封端面流體膜厚分布云圖

圖6為3級碳環密封的壓力分布，即沿軸向從高壓側135 kPa到低壓側大氣壓的壓力分布圖，圖6、圖7主要顯示了華陽密封在給定工況下的性能。

圖8為內部開動壓槽后單級碳環的膜厚分布云圖，顯示了密封環內部開動壓槽后單級碳環的性能變化，開動壓槽后可降低接觸比壓，從而減少碳環與軸套磨損，提高碳環壽命。

總泄漏量(標準狀況下)隨時間變化曲線見圖9。圖9表明，國產化碳環密封可以滿足本生產裝置對碳環密封使用條件的要求，效果較好。

4.2　實際應用效果

2016-10，對獨山子石化苯乙烯裝置尾氣壓縮機進行了改造試驗。實際使用效果表明，實測的密封泄漏量與模擬分析的小流量非常接近，試驗290 min密封最大泄漏量3.8 m3/h，開機后48 h，根據密封蒸汽排放量測算泄漏量小于4 m3/h。初步判斷，可以借助密封模擬分析軟件預知設計密封參數，如泄漏量、升溫、氣膜厚度變化時的密封效果。

圖9　運轉試驗華陽密封總泄漏量隨時間變化曲線

5　結語

獨山子石化公司苯乙烯裝置尾氣壓縮機碳環密封國產化改造基本達到了預期的效果。國產化改造后，檢修費用明顯減低，成套進口密封售價660萬元左右[17]，改造后的成套密封售價不到300萬元。模擬預測的密封泄漏量非常接近實測值，可以相對準確地預知設計密封參數，如泄漏量、升溫、氣膜厚度變化時的密封效果。改造之后的碳環密封能否達到4 a一修的目標還有待進一步的考察。

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